JP3919226B2 - 機械加工のための加工物を評価する方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、歯車等のような歯付き物品の機械加工に向けられている。特に、本発明は、加工物を評価して該加工物を機械加工するのに続くべき適切なやり方を決定する方法に関する。
発明の背景
平歯車およびはすば歯車あるいはかさ歯車およびハイポイド歯車の最終研削プロセスのような、歯付き加工物のための機械加工プロセスにおいて、機械加工のための相次ぐ加工物を提示することにより、工具、例えば平歯車あるいははすば歯車のためのネジ付き研削ホイールによって機械加工されるべき様々な加工物の幾何学的形状が与えられる。
最終機械加工に先立つ加工物の幾何学的形状には多くのやり方で影響をさせることができる。例えば、加工物の幾何学的形状は、歯みぞの振れ、切削刃の鋭さおよび切削工具の位置決め精度、切削機械の主軸上での加工物の取付け位置、切削機械それ自体の機械軸線運動の精度、切削に続く熱処理により生じせしめられるひずみ、あるいは加工物が別の回転部材に固定される際の組立誤差により影響される。歯車における不正確さはそれの品質および性能を低下させ、また負荷の下での望ましからざる応力、伝動誤差、騒音および回転する際の振動に帰着し得る。
最終機械加工に先立ち不正確さがどのようにして加工物に導入されるかに関係なく最終機械加工プロセスは、最終機械加工後加工物が仕上げられた加工物の幾何学的必要条件を満足することを期待して、加工物条件の範囲と争わねばならない。ある場合、過渡の歯みぞの振れで加工物を研削し、それにより過渡のストック材料を歯元の面の一部分に存在させる試みにより、焼かれた歯元の面の表面仕上げ状態や工具の加速された摩耗に帰着することがあり、かくてより頻繁なドレッシングを必要とし、また工具の有用な寿命を減少させる。余りにも小さなストックが歯元の面の表面に存在し、あるいは歯みぞの振れが過渡である場合、歯のいくつかの表面は、機械加工プロセスにより適当には仕上げられない。
歯車品質を分析する１つの手がかりは、歯車に存在している歯みぞの振れの量を検出することである。歯みぞの振れは歯車の半径方向偏心の大きさであるが、歯みぞの振れば歯車に存在する蓄積されたピッチのばらつきにより識別される「隠れた歯みぞの振れ」として知られた形式のものでもあり得る。隠れた歯みぞの振れは半径方向の歯みぞの振れとは別に存在し得るものである。隠れた歯みぞの振れ、および蓄積されたピッチのばらつきデータを用いることによるそれの検出の論議は、スミス、ロバートその他（Smith, Robert, et al）の「隠れた歯みぞの振れの検出」、AGMA技術論文、９５ＦＴ_Ｍ１、１９９５年１０月に論議されている。
歯みぞの振れおよび熱処理ひずみによるエラーについて加工物を分析する別の方法は、ロエールク（Loehrke）の米国特許第５，１３６，５２２号に開示されている。歯車は非接触プローブを過ぎて回転され、先行フランクおよび後行フランクのワーク主軸回転位置は、理論主軸位置と比較して記録され、実際の読みと理論的読みとの間の差に基づく測定されたエラー値は各組の先行フランクおよび後行フランクについて計算される。次に、各組について測定されたエラー値はフーリエ変換技術を用いて分析されて、歯みぞの振れを示す一組の修正されたエラー値を有する第１の調波を発生する。修正されたエラー値は測定されたエラー値から差し引かれて、熱処理のような他の要因によるひずみを示す一組の調節されたエラー値を生ずる。最も大きな修正されたエラー値および最も小さな修正されたエラー値が利用されて有効歯間隔をシミュレートし、該有効歯間隔は所望の歯間隔と比較され、また正しい値が発生され、それにより加工物主軸の角方向位置は調節されて正確な機械加工を確実にする。
本発明の目的は、工具の摩耗および不合格にされる加工物の数を減少させる方法を提供することである。
本発明の別の目的は、歯付き加工物を評価して、その後の機械加工に対する加工物フランクの適切性を決定し、また評価の結果に依存して、意図された機械加工プロセスの代替物あるいは修正体を与える方法を提供することである。
このように、与えられた加工物を所定の機械加工作業に適しているかどうかを決定することができ、あるいは機械加工作業を修正して加工物を不合格にする必要なく、機械加工に許容しうる範囲内に加工物をもたらすことができる。
発明の要約
本発明は、所定の機械加工プロセスに従って機械加工のため歯付き加工物を評価する方法を有している。該歯付き加工物は、各々の歯が回転方向に対して先行フランクと後行フランクとを有している状態の複数個の歯を含む。
本発明の方法は、工作機械上の回転可能な主軸に加工物を取り付けること、および位置決めされたプローブ手段を提供することを含み、それにより加工物の先行フランクあるいは後行フランクが該プローブに対する所定の位置に置かれる際、信号を生じ、該プローブによって生じた信号は主軸の瞬間の回転位置を示す。
加工物の主軸は回転されて選択されて選択された先行歯元の面および（または）後行歯元の面の各々を所定のプローブ実行位置にして信号を発生し、また各発生された信号に対応する瞬間回転主軸位置が記録される。各選択された歯元の面に対応する（第１の歯元の面に相対する）理論主軸位置が与えられており、また測定されたエラー値は、それぞれの記録された主軸位置と各選択された歯のフランクに対する理論主軸位置との間の差により決定される。該測定されたエラー値は記録される。
先行歯元の面および（または）後行歯元の面に対する最高および最低の測定されたエラー値は選択され、また最高の集積されたピッチのばらつき（Ｐ_V）は先行歯元の面および（または）後行歯元の面について計算される。最高の集積されたピッチのばらつき（Ｐ_V）は、中止公差（Ｔ_A）と修正されたプロセス公差（Ｔ_M）とを有する所定のピッチばらつき公差限界と比較され、それにより所定の機械加工プロセスは、Ｐ_V≧Ｔ_Aならば中止され、所定の機械加工プロセスは、Ｔ_M≦Ｐ_V＜Ｔ_Aならば、修正され、またＰ_V＜Ｔ_Mの場合、所定の機械加工プロセスが実行される。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明が実施され得る工作機械を概略的に示している。
図２は、本発明のプローブ方法を示している。
図３は、加工物の先行歯元の面の測定されたエラー値をグラフで示している。
好適実施例の詳細な説明
本発明の詳細を、好適実施例に参照して説明する。
本発明の方法は、任意の工作機械で行うことができ、加工物をプローブし、このプローブを行った結果として得られかつ操作される情報に応答して、工作機械と加工物との間の相対回転位置を調節することができる。
図１は、上述したような工作機械の一形式を概略的に示しており、該工作機械は、ネジ付きの研削ホイールで平歯車およびはすば歯車を研削するための、計算機制御される機械１０を有している。この形式の機械は当業界では知られており、また容易に入手可能である。
機械はベース１２とワークコラム１４とを含んでいる。ワークテーブルスライド１６は該ワークコラム１４上に配設されていて軸線（Ｚ−軸線）に沿って直線移動するようになっている。ワーク支持体１８は、ワークテーブルスライド１６に対して回転するように取り付けられ、そして軸線（Ａ−軸線）のまわりで回転可能にされていて、特定の歯車を研削するのに必要な適切なねじれ角を設定している。ワーク歯車２０は、適当なワーク保持用機器により回転可能な主軸２２に取り付けられワーク歯車軸線（Ｃ−軸線）のまわりで回転するようになっている。また、加工物２０の歯面に隣接して位置決めされた非接触プローブ２４も示されている。非接触プローブは周知のもので、電界あるいは磁界、空気ジェットあるいは光ビームを用いて、加工物のフランクがプローブからある所定の距離内を通過する時はいつでもトリガ信号を発する。
また、一対の工具スライド３０および３２はベース１２に置かれている。工具スライド３０はベースの長さ（Ｘ−軸線）に沿った工具の移動を可能にしており、また工具スライド３２はベースの幅（Ｙ−軸線）を横切る工具の移動を可能にしている。機械軸線Ｘ、ＹおよびＺは互いに相互に垂直をなしている。工具３６が工具軸線（Ｓ−軸線）のまわりで回転するように取り付けられた工具支持体３４は工具スライド３２に取り付けられている。
ドレッシングホイールテーブル３８は工具スライド３２に置かれ、そして垂直なドレッシング軸線（Ｕ−軸線およびＶ−軸線）に沿って移動可能である。ドレッシング工具支持体４０はドレッシングホイールテーブル３８に取り付けられ、また回転ドレッシング工具４２はドレッシング工具支持体４０に回転するよう取り付けられている。ドレッシング工具支持体４０は、ドレッシング工具４２を研削用ホイール３６のリード角に位置決めするために、テーブル３８上で角方向に調節可能にされている。Ｖ−軸線運動は、研削用ホイール３６の幅に沿ってドレッシング工具４２を横切るのに利用されており、Ｕ−軸線運動は、ドレッシング工具の切り込みに用いられていて研削用ネジ表面のプロフィールに沿う接触点にドレッシング工具４２を位置決めしている。
上述した軸線のまわりでの、あるいは該軸線に沿っての運動は別個の駆動モーター（図示せず）によって与えられている。上記された移動可能な機械構成要素は互いに対して独立に移動することができ、また互いに同時に移動してもよい。それぞれのモーターの各々は、計算機数値制御（ＣＮＣ）システムの一部としてリニアあるいは回転エンコーダ（図示せず）のいずれかと関連しており、該数値制御（ＣＮＣ）システムはコンピューター（図示せず）への指示入力に従って駆動モーターの作動を管理する。エンコーダは、可動軸線の各々の実際の位置に関するフィードバック情報をコンピューターに提供する。
本方法は、はすば歯車のような歯付き加工物２０を研削機械１０上の回転可能な主軸２２に取り付けること、位置決めされ、それにより加工物の先行フランクまたは後行フランクの所定の高さ位置がプローブ２４に対して所定の位置に位置する際、信号を生じるプローブ２４を提供することを含む。プローブ２４によって生じた信号は主軸の瞬間回転位置を示す。加工物主軸２２は回転されて選択された先行フランクおよび（または）後行フランクを各々所定のプローブ実行位置に持ってきて信号を発し、また各発生された信号に対応する瞬間回転主軸位置が記録される。このようにしてプローブを実行することは先に述べた米国特許第５，１３６，５２２号から周知であり、その米国特許の開示内容は参考としてここに組み込まれている。
図２は、非接触プローブ２４で加工物２０の歯元の面をプローブ実行するのを示している。加工物２０が矢印２６の方向に回転されると、第１の先行歯元の面Ｌ₁上の所定のフランク高さ”ｈ”での位置（通常、歯の中間高さポイント）はプローブ２４を通り、また信号が発生されてワーク主軸２２の回転位置を記録する。加工物がプローブ２４を過ぎて移動し続けると、第１の後行フランクＴ₁は、またプローブ２４をトリガして信号を発生し、再び瞬間のワーク主軸回転位置を記録する。加工物２０の回転は、次の先行フランクＬ₂および後行フランクＴ₂がプローブ２４を通ってそれぞれのワーク主軸の位置の記録をトリガするにつれて連続する。加工物２０の回転は、全ての歯がプローブ２０を通り過ぎ、また全ての先行フランクおよび後行フランクのためのワーク主軸位置が記録されるまで続く。
上述したごとく加工物２０の全ての歯をプローブすることは好ましいが、本発明は、４個と少ない、好ましくは等間隔に離隔された先行歯元の面および後行歯元の面で実行してよいことを理解すべきである。
次に、先行フランクおよび（または）後行フランクについて測定されたワーク主軸回転位置は対応する理論的に正しいフランク位置と比較される。第１の測定された先行歯元の面および（または）後行歯元の面は”ゼロ”位置として機能し、最初に走査された歯元の面に対するその後の全てのフランクの理論的に正しいフランク位置が、最初に測定されたフランクに基づいて発生される。それぞれ測定された主軸位置間の差および理論的に正しい位置は、各プローブされたフランクについて測定されたエラー値をもたらすべく決定されている。
例として、６５個の歯および５３mmのピッチ半径を有する左手はすば歯車を、図１に示すような研削機械上のワーク主軸に取り付けた。歯車を非接触形のプローブを通過して回転させ、全ての歯の先行フランクおよび後行フランクを、歯のほぼ中間高さのところで一致歯高”ｈ”でプローブした。第１の先行フランクおよび後行フランクに対するそれぞれの理論的な位置データと共に、プローブ実行により得られた位置情報および歯の一部分に対する計算され、測定されたエラー値は、下の表に示されている。位置およびエラー値は度で表に作られている。図３は６５個全ての歯の先行フランクについて測定されたエラーをグラフで示している。

先行歯元の面および（または）後行歯元の面についての最大および最小の測定されたエラー値が選択されている。歯＃６は先行フランクについて−０．００８３６の最小の測定されたエラー値を、また後行フランクについて−０．０１３３７を示している。歯＃４１は先行フランクについて０．１２２５９の最大の測定されたエラー値を、また後行フランクについて０．１０８０４を示している。
先行歯元の面および（または）後行歯元の面の最大に蓄積されたピッチばらつき（Ｐ_v）はいずれかの周知の方法を用いて計算され、以下の式が好ましい。
Ｐ_v＝［Ｅ_max−Ｅ_min］ｘ（π／１８０）ｘ（Ｒ_P）_work
ここで、Ｅ_max＝最大の測定されたエラー値（度）
Ｅ_min＝最小の測定されたエラー値（度）
（Ｒ_P）_work＝加工物のピッチ半径（インチあるいはmm）
かくして、上記例における先行フランクの場合、最大に蓄積されたピッチばらつきは次の通り決定されている。
Ｐ_v＝［０．１２２５９−（−０．００８３６）］ｘ（π／１８０）ｘ５３mm
Ｐ_v＝０．１２１１８mm
代替例として、先行歯元の面および（または）後行歯元の面について歯みぞの振れの量は、（例えば、フーリエ変換のような）周知の技術を用いて計算することができ、その方法に従って分析された結果を以下に記載する。
最大に蓄積されたピッチばらつき（Ｐ_v）は、プロセス中止公差（Ｔ_A）および修正されたプロセス公差（Ｔ_m）を含む所定の蓄積されたピッチばらつき公差限界と比較され、それにより所定の機械加工プロセスはＰ_v≧Ｔ_Aなら中止され、所定の機械加工プロセスはＴ_M≦Ｐ_v＜Ｔ_Aなら修正され、また所定の機械加工プロセスはＰ_v＜Ｔ_Mなら実行される。中止公差Ｔ_Aに等しいか、あるいはそれを越えるＰ_vの値の加工物はかなりの歯みぞの振れを有し、何等の研削量も加工物の条件を容認可能な形にすることはできず、それ故、加工物は不合格にされる。修正されたプロセス公差Ｔ_Mよりも小さいＰ_v値の加工物は、殆ど、あるいは全く歯みぞの振れを示さず、このように工作機械コンピューターにプログラムされた比較的早い標準研削サイクルにより機械加工することができる。Ｐ_v値がＴ_M以上の値からＴ_A未満の値までの範囲内にある場合、かなりの量の歯みぞの振れが存在するが、標準機械加工サイクルの変形例では、歯みぞの振れ条件に効果的に扱うことができ、また加工物は許容可能な形にすることができる。
機械加工プロセスあるいはサイクルを修正する場合、プロセスのいくつかの局面を変えることができる。例えば、以下のプロセスパラメータのいずれか、または全てを修正してもよく、即ち１つ以上の付加的機械加工パスあるいは行程を加えてもよく、行程毎に取り除かれる素材の量を変えてもよく、１つ以上の行程の切り込み位置を変えてもよく、増分シフトの量および（または）連続シフトの量を修正してもよく、研削ホイールの速度および行程速度を調節してもよい。
上記例において、Ｐ_v＝０．１２１１８であり、中止公差Ｔ_A＝０．１７５であり、修正されたプロセス公差Ｔ_M＝０．０９である。それ故、Ｐ_vがプロセス中止限界Ｔ_Aとプロセス修正限界Ｔ_Mとの間にあるとすれば、標準研削サイクルにより相応に取り除かれ得るものよりも多くの素材が歯元の面に存在し、それ故、歯車を研削するのに利用される実際のプロセスは、この形式の歯車についての所定の標準研削プロセスの修正であった。具体的には、本例においては、付加的な研削行程を加えて、余分な素材を取り除く際、研削用ホイールに対する摩耗を低減させた。
公差限界Ｔ_MおよびＴ_Aは異なる寸法および異なる形式の歯車に対して変ることを理解すべきである。一般に、公差限界は、（ＡＧＭＡ、ＤＩＮ、ＪＩＳあるいは等価の公表された規格、あるいはユーザーが指定した規格のような）特定の歯車について最終的に必要とされる歯車品質仕様歯みぞの振れ量を得ることにより、またこの量に約３を掛けてプロセス修正公差Ｔ_Mを得ることにより、また約６．５を掛けてプロセス中止公差Ｔ_Aを得ることにより決定することができる。
プローブが行われる加工物が機械をストック分割するよう意図された加工物である場合、即ち加工物に対する工具の位置決めを工作機械に”教示”するよう意図された加工物である場合、上記公差は厳しくするべきである。何故なら、通常、より厳重な公差の歯車（低い歯みぞの振れで、熱処理ひずみが殆どなく、組立エラーの少ない）がストック分割作業に望まれている。
必要なら、平均最大および最小エラー値を利用して最大に蓄積されたピッチばらつきを計算してもよい。この場合、最大および最小エラー値および１つ以上の隣接したフランクの読みは平均化されて最大あるいは最小エラー値を得る。例えば、歯＃６は上記例における最小の測定されたエラー値であり、平均エラー値が望まれる場合、歯＃４から＃８の測定されたエラー値は平均化されて先行フランクあるいは後行フランクのいずれかについて最小エラー値を得ることができる。
上記例における最小および最大エラー値は先行フランクおよび後行フランク（それぞれ＃６および＃４１）の双方に対して同じ歯に生ずるが、このことは常にそうではないことを理解すべきである。通常、歯は互いに近くに、即ち互いに隣接しているが、先行フランクおよび後行フランクについて最小値および最大値は異なる歯に生じ得る。
上記例は２つの公差限界を開示しているが、理解される通り、任意の数の公差値を含ませてもよく、その結果として各範囲がそれにそれに割り当てられた特定のプロセス修正を有する状態で、いくつかの範囲（Ｔ₀−Ｔ₁−Ｔ₂−．．．．．Ｔ_n）となる。
本発明の方法は、はすば歯車に関連して述べたが、本発明はそれに限定されるものでなく、平歯車、かさ歯車および、ハイポイド歯車のような任意の歯付き物品に応用され得るよう意図されている。更に、本発明は、非接触式のプローブでプローブを行うことに限定されるものではなく、接触式のプローブでも有効に実施され得るものである。
本発明は、今までの非機械加工され得る加工物を機械加工する柔軟性を与えることにより、および（または）工具の摩耗を少なくするようプロセスを適合させることによって工具の寿命を延ばす柔軟性を与えることにより、研削あるいはスクラップの従来技術のアプローチに対する強化策を示している。
本発明は好適実施例に関連して述べが、本発明はそれの詳細に限定されないことを理解すべきである。本発明は、添付請求の範囲の精神および範囲を逸脱することなく、主題が関連している当業者には明かである変形を含むべく意図されている。

Claims (9)

1. 所定の機械加工プロセスに従って機械加工するための歯付き加工物を評価する方法であって、前記歯付き加工物は複数個の歯を有し、各歯は回転方向に先行フランクおよび後行フランクを有するような方法において、
   工作機械の回転可能な主軸に前記加工物を取り付けること、
   位置決めされたプローブ手段を準備し、それにより前記加工物の先行フランクあるいは後行フランクが該プローブに対して所定の位置に置かれる際、信号を生じさせ、該信号は、前記主軸の瞬間回転位置を示すような前記準備すること、
   前記主軸を回転させて選択された先行歯元の面および（または）後行歯元の面の各々を前記プローブに関して前記所定の位置へ持ってきて、前記信号を発生させること、
   各発生された信号に対応する前記瞬間回転主軸位置を記録すること、
   前記選択された各歯元の面に対応する理論主軸位置を与えること、
   前記選択された各歯元の面について、それぞれの記録された主軸位置と前記理論主軸位置との間の差として測定されたエラー値を計算すること、
   選択された各歯元の面について前記測定されたエラー値を記録すること、
   前記先行歯元の面および（または）前記後行歯元の面について最大および最小の測定されたエラー値を選択すること、
   前記先行歯元の面および（または）前記後行歯元の面について最大の蓄積されたピッチばらつき（Ｐ_v）を計算すること、および
   中止公差（Ｔ_A）および修正プロセス公差（Ｔ_M）を含む所定のピッチばらつき公差限界と前記最大の蓄積されたピッチばらつき（Ｐ_v）を比較し、それによりＰ_v≧Ｔ_Aの場合、前記所定の機械加工プロセスを中止し、Ｔ_M≦Ｐ_v＜Ｔ_Aの場合、前記所定の機械加工プロセスを修正し、Ｐ_v＜Ｔ_Mの場合、前記所定の機械加工プロセスを実行すること、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記プローブ手段は非接触プローブを含む方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記プローブ手段は接触プローブを含む方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記最大の蓄積されたピッチばらつき（Ｐ_v）が下式に従って計算される、
   Ｐ_v＝［Ｅ_max−Ｅ_min］ｘ（π／１８０）ｘ（Ｒ_P）_work
   ここで、Ｅ_max＝最大の測定されたエラー値
   Ｅ_min＝最小の測定されたエラー値
   （Ｒ_P）_work＝加工物のピッチ半径、
   方法。
5. 請求項４に記載の方法において、Ｅ_maxおよびＥ_minは平均の測定されたエラー値を含む方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記歯付き加工物は平歯車あるいははすば歯車である方法。
7. 請求項１に記載の方法において、前記歯付き加工物はかさ歯車あるいはハイポイド歯車である方法。
8. 請求項６に記載の方法において、前記平歯車あるいははすば歯車は前記工作機械をストック分割するための歯車を含む方法。
9. 請求項１に記載の方法において、前記工作機械は、ネジ付きの研削用ホイールを有する研削機械を含む方法。

Images